基于IP网络广播与新型网络功放技术的音箱整合研究

马 煜，李海霞，关士民，赵 梅

基于IP网络广播与新型网络功放技术的音箱整合研究

马 煜1，李海霞1，关士民1，赵 梅2

（1. 清华大学 信息化技术中心，北京 100084；2. 首都师范大学 教育技术系，北京 100048）

高校多媒体教室内音箱多、功能不同且隶属不同部门管理，教室内墙上显得非常凌乱。该项目组利用数字网络广播技术与新型数字多媒体功放相结合的技术方案，对清华大学五教多媒体教室音箱整合问题进行工程研发并实现相关应用，取得较好效果。

多媒体教室；音箱整合；IP网络广播；新型网络功放

多媒体教室是学校顺利开展教学和学习活动的基础条件和基本保障，音响系统是多媒体教室的重要组成部分[1]。在多媒体教室建设初期，往往忽视声响系统的整体设计，出现音箱布局不合理、声音不均匀等问题。研究者从多媒体教室规模、声场设计、音箱分布、设备选型等多方面提出改善多媒体教室声音效果的配置方案和建议[2-3]。也正是由于初期建设的设计不合理，在音响系统安装后容易出现啸叫、回声、共振等声缺陷，同时音响设备在后期使用过程中也会出现没有声音、有噪音等故障问题。有人据此总结出多媒体教室音响系统的常见故障及处理方法，并提出声缺陷的调校方法[4]。随着需求的增加，多媒体教室内安装的音响设备也随之增加，东拼西凑的音箱挂在墙上显得十分凌乱，也为使用和管理增加了复杂度。为此，本项目组成员进行了深入调研，并提出了相应的解决方案。

1 音箱整合的系统设计

该项目主要是基于清华大学进行设计。目前清华大学校管各类多媒体教室共302间，每年都要承担近14万节大课的授课任务，以及英语四六级考试、研究生入学考试、暑期文化月、相关会议、学生社团等各类考试和活动，音箱的使用频率很高。由于分步建设和业务分工等历史原因，目前大部分教学楼的多媒体教室内安装了3套音箱，即打铃专用音箱、四六级考试广播音箱和师生上课用的多媒体立体声音箱（见图1），分别由学校物业中心、广播站和信息技术中心教学服务室管理运行和维护。

图1 清华六教阶梯教室的3种音箱在教室内的分布

在各教学楼教室内采用的3种音箱中，打铃音箱由各教学楼物业值班室内的自动铃音播放系统控制，主要负责播放每天的上下课铃声、广播物业值班人员的临时通知等；考试音箱由校广播站内的播放系统统一控制，主要承担着英语四六级考试、新生入学考试、学校职称英语考试等播放英语考试听力的任务，学校每年要承接大概有十一二次的各种听力考试。这两类音箱均采用定压功放驱动。多媒体音箱为定阻音箱，由每间教室多媒体机柜内的定阻功放驱动，主要用于无线领夹或手持麦克的扩声以及计算机多媒体课件、教学音视频声音的播放。图2和图3是铃声播放系统和考试播放系统机柜的照片。

图2 铃声系统机柜

图3 考试广播系统机柜

在经过深入的技术研讨和市场调研之后，认为可以采用基于IP的数字网络广播技术加定制的大功率IP网络功放一体机[5-6]，实现教室内打铃专用音箱、听力考试广播音箱和多媒体立体声音箱这3套音箱的整合。

1.1 方案原理

用于播放铃声和考试听力的两套音箱系统均采用定压功放，其基本原理是以电压来推动扬声器，特点是输出电压大、电流小，可以长距离传输声音信号，属于广播设备；多媒体音箱采用的定阻功放，是以电流来推动扬声器，特点是电流大、电压小，传输距离受限[7]。

考虑到这二者的技术特点，简单整合是无法达到实际效果，这是因为如果以定阻功放接定压音箱（即多媒体机柜内功放连接打铃或广播音箱），音箱可以发出声音，但声音会很小；如果定压功放接定阻音箱（即广播或打铃信号直接接入到多媒体音箱），当定压功放功率小时，音箱不会正常工作，而定压功放功率大时会烧坏音箱。

在综合考虑各种情况之后，本着“先进、稳定、安全”的原则进行设计，将来源不同的音频信号统一接入到IP网络功放中推动音箱播放，具体的原理技术布局见图4。该系统主要由系统软件包、服务器、IP网络主控机、大功率IP网络立体声功放组成。其他周边设备根据具体工程需要配置[8-9]。

1.2 实现功能

铃声系统、听力考试播放系统、多媒体教室扩声系统3套音箱的整合可以从根本上解决目前教室内音箱众多的杂乱的问题，实现在一个运维平台上进行管理。同时，利用基于IP数字网络广播技术平台进行接口开发，可以为不同的管理部门设置相应管理权限，并实现教室与值班室一键呼叫及录音功能，提高教室运维的工作效率和服务水平[10-11]。具体功能包括：

（1）灵活设置铃声：用户可以个性化设置丰富多彩的音乐作为上下课铃声，不再只是单调枯燥的电铃；

（2）分区控制播放：可以实现单独对一间教室播放广播，也可以对任意几间或全部教室一起播放；

（3）多媒体立体声播放：利用教室机柜内添加的IP网络功放，原有的多媒体音箱得以保留，免去了重新布线的麻烦、减轻了工程施工的难度、方便了日后的维修；

（4）双主控系统管理：组成双主控系统的计算机服务器和嵌入式IP网络主控机，可以同时协调管理，也可以独立运行，这样有效提升了系统的可靠性。

2 软件的实时管理与控制

IP网络公共广播/内部通信服务器是广播系统的核心部分，是系统运行和功能操作的综合管理平台，能够实现对定时任务、运行状态以及采播管理、文件广播、消防报警等功能模块的统一管理和操作，从而解决了以往声音品质不佳、管理维护复杂等问题，实现了广播系统的数字化、网络化、个性化。服务器软件部分界面截图见图5和图6。

IP网络公共广播/内部通信服务器的主要功能如下：

（1）管理人员可以查看系统中各个分区的终端及工作站的工作状态，如网络通断、音箱音量大小等；

（2）具有定时打铃、定时节目播放、定时采播功能，管理人员可以根据广播内容的需要，事先按终端、节目、时间的排序建立一个或者多个定时广播任务，系统将会定时定点定区域定曲目播放，无需专人值守和人工操作；

图4 多媒体教室播放音响整体解决方案原理图

图5 IP网络公共广播/内部通信服务器软件运行状态界面截图

图6 IP网络公共广播/内部通信服务器软件定时打铃界面截图

（3）具有实时采播、文件采播功能，可以对广播区域进行远程讲话，也可以将其他音源的节目采播到指定的接收终端，例如领导发布通知、播放英语听力等，系统还支持点播服务器节目库中的文件或者本地的音频文件；

（4）软件具有消防报警功能，能够接收并处理消防中心的信号，当接收到紧急广播信号时，系统会自动强行切换至紧急广播状态，播放报警语音；

（5）具有节目管理功能。管理人员可以根据需要远程添加、编辑、删除自己私有或公有的节目。

3 使用效果

根据技术方案和清华大学的现实情况，联系厂家对系统涉及的软件平台及IP网络功放进行了定制开发和设计生产，并选取了教室数量适中、又相对独立的第五教学楼对整体系统的稳定性进行了测试[12]。

清华大学多媒体教室内音箱整合项目能够顺利实施的关键是选用了一款新型的大功率网络立体声功放，替代教室内原先的普通功放。在保留了教室原有的一对或两对定阻立体声音箱的情况下，该新型功放不仅可以实现原普通功放具备的本地立体声扩声的功能，还可以实现传统IP数字网络广播技术中的网络终端具备的全部功能（网络广播，打铃等）。

2018年11月清华大学外语系在五教举行的2018—2019年清华大学秋季本科生英语水平考试，要求在5102和5101两间考试指定教室播放听力考试音频信号及单独设定考试铃声计划，五教教室没有实施三箱合一改造前，由于技术及管理等诸多因素原因，实现起来相当麻烦和困难，几乎不可能实现。

在五教三箱合一项目工程实施完毕后，在打铃服务器上单独设定这两间教室的考试打铃计划，并在五教电教值班室利用IP网络调音台发送笔记本播出的听力考试语音信号（见图7），由于听力考试声音播放采用教室多媒体音箱，播放声音效果远远好于原有的8~10 W定压考试音箱，听力考试语音播放和单独打铃计划非常成功，外语系教师非常满意。同时也验证了三箱合一项目中规划要求的同一楼内考试教室一种打铃模式、其他教室正常打铃模式的分区打铃功能是可行性的。

图7 在五教值班室利用IP网络调音台发送听力考试语音信号

通过新型大功率网络立体声功放及相关平台管理软件一年多的实际运行使用表明，这套系统软硬件性能稳定，能满足项目组提出的所有功能需求。该项目完成后，多媒体教室内各类扩声、广播系统和打铃系统的真正融合提升了运维服务水平和质量。

4 结语

结合IP数字网络广播技术与新型网络功放技术，将打铃广播系统、考试听力广播系统和多媒体立体声广播系统整合在一个运维平台，这是一次新的成功尝试。该项目实现了多媒体教学环境中音频系统交互性、复合性、集成性的高度统一，对提高教学服务水平、提升多媒体教室建设水平有很大帮助。在多媒体教室中，视频监控也存在着远程监控、考试监控、安全监控等多个摄像头共存的类似问题，基于IP广播技术的音箱合并得以成功实施也可以为摄像头融合提供一定的经验和借鉴，也为其他高校的多媒体教室信息化建设提供参考。

[1] 周远龙.浅析高校多媒体教室的音响系统配置[J].电子世界，2014(8): 88–89.

[2] 马晓阳.多媒体教室音响的配置方案[J].吉林工程技术师范学院学报，2006(7): 52–54.

[3] 薛胜兰.多媒体教室音响系统的设计与调整[J].电声技术，2010, 34(12): 19–22.

[4] 刘少荣.浅谈多媒体教室音响系统的安装常识及缺陷的调校[J].内江科技，2016, 37(5): 97, 90.

[5] 柴立新，姜畔，詹泊诚.数字广播技术及其应用分析[J].通讯世界，2017(8): 113.

[6] 程慧泉.校园IP网络广播系统分析[J].教育教学论坛，2013(17), 252–254.

[7] 吴越屏.适合多媒体教室使用的功率放大器[J].电子世界，2003(9)：53–54.

[8] 吴煜林.智能楼宇中基于IP网络的音频广播系统数字化终端的研究[D].广州：广东工业大学，2007.

[9] 范绕.校园IP网络数字广播系统设计[J].数字技术与应用，2015(8): 170.

[10] 杨建良.基于网络的数字IP校园广播系统的规划与设计[J].中国教育信息化，2010(3): 44–47.

[11] 曾和兰，刘登桃.基于IP网络的校园数字广播、实时教学系统设计[J].电声技术，2010(12): 78–80.

[12] 马艳，张智军，刘春江.应急广播大喇叭系统测试内容与方法研究[J].电视技术，2017(3): 61–65.

Research on voice box integration based on IP network broadcasting and new network power amplifier technology

MA Yu1, LI Haixia1, GUAN Shimin1, ZHAO Mei2

(1. Information Technology Center, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Department of Educational Technology, Capital Normal University, Beijing 100048, China)

There are many voice boxes in university multimedia classrooms which have different functions and are managed by different departments. The project team has used the technical scheme of combining digital network broadcasting technology with new digital multimedia power amplifier to carry out engineering research and development on the integration of voice boxes in university multimedia classrooms in China and realize the related applications. Good results are achieved.

multimedia classrooms; integration of voice boxes; IP broadcasting; new network amplifier

G484；T912.2

B

1002-4956(2019)07-0093-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.023

2018-12-04

马煜（1967—），男，北京，学士，工程师，主要研究方向为多媒体教学环境建设. E-mail: mayu126@tsinghua.edu.cn